(内部学习资料)光纤基础知识PPT课件

1 光纤基础知识 FiberHandbookTechnologyData 2 光纤通信的优点 1 高频宽 1 0GHz 数百GHz2 低衰减 传输距离长 目前可达120公里长 中间不用加装中继器3 不受电磁或串音干扰4 体积小 重量轻5 安全性高6 可靠度高且易于维护 3 光纤通信的缺点 光纤易折断连接困难怕弯曲 4 光通信发展简史 2000多年前烽火台 灯光 旗语1880年光电话 无线光通信1970年光纤通信 5 光纤通信发展史 1966年 光纤之父 高锟博士首次提出光纤通信的想法 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器 1970年康宁公司的卡普隆 Kapron 之作出损耗为20dB km石英光纤 1977年芝加哥第一条45Mb s的商用线路 6 电磁波谱 7 光纤的结构 纤芯core 折射率较高 用来传送光 包层coating 折射率较低 与纤芯一起形成全反射条件 保护套jacket 强度大 能承受较大冲击 保护光纤 8 光纤种类 光纤作为光通信的传播媒介 分为多模光纤和单模光纤 多模光纤 橘红色 的纤芯直径为50um 62 5um 包层外直径125um 适用于短距离传输 2KM 5KM 单模光纤 黄色 的纤芯直径为8 3um 包层外直径125um 多用于中长距离传输 20KM 120KM 光纤通信的主要优点 大容量 损耗低 中继距离长 保密性强 体积小 重量轻 光纤的原材料取之不竭 缺点 易折断 连接困难 怕弯曲 9 外径 一般为125um 一根头发平均100um 内径 单模9um多模50 62 5um 光纤的尺寸 10 光纤的分类 按材料分类 玻璃光纤 纤芯与包层都是玻璃 损耗小 传输距离长 成本高 胶套硅光纤 纤芯是玻璃 包层为塑料 特性同玻璃光纤差不多 成本较低 塑料光纤 纤芯与包层都是塑料 损耗大 传输距离很短 价格很低 多用于家电 音响 以及短距的图像传输 11 5 光模块简介 光收发一体模块由光电子器件 功能电路和光接口等组成 光电子器件包括发射和接收两部分 发射部分是 输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器 LD 或发光二极管 LED 发射出相应速率的调制光信号 其内部带有光功率自动控制电路 使输出的光信号功率保持稳定 接收部分是 一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号 经前置放大器后输出相应码率的电信号 输出的信号一般为PECL电平 同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号 目前常规通用的光模块主要包括 光发送器 光接收器 Transceiver 光收发一体模块 以及Transponder 光转发器 Transceiver 光收发一体模块 Transceiver的主要功能是实现光电 电光变换 包括光功率控制 调制发送 信号探测 IV转换以及限幅放大判决再生功能 此外还有些防伪信息查询 TX disable等功能 常见的有 SIP9 SFF SFP GBIC XFP等 Transponder 光转发器 Transponder除了具有光电变换功能外 还集成了很多的信号处理功能 如 MUX DEMUX CDR 功能控制 性能量采集及监控等功能 常见的Transponder有 200 300pin XENPAK 以及X2 XPAK等 12 光模块的传输距离分为短距 中距和长距三种 一般认为2km及以下的为短距离 10 20km的为中距离 30km 40km及以上的为长距离 光模块的传输距离受到限制 主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散 损耗是光在光纤中传输时 由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失 这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散 色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等 从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端 导致脉冲展宽 进而无法分辨信号值 损耗和色散 损耗是光在光纤中传输时 由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失 这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散 色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等 从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端 导致脉冲展宽 进而无法分辨信号值 这两个参数主要影响光模块的传输距离 在实际应用过程中 1310nm光模块一般按0 35dBm km计算链路损耗 1550nm光模块一般按0 20dBm km计算链路损耗 色散值的计算非常复杂 一般只作参考 因此 用户需要根据自己的实际组网情况选择合适的光模块 以满足不同的传输距离要求 6 传输距离 13 中心波长指光信号传输所使用的光波段 目前常用的光模块的中心波长主要有三种 850nm波段 1310nm波段以及1550nm波段 850nm波段 多用于短距离传输 1310nm和1550nm波段 多用于中长距离传输 第一 中心波长 单位纳米 nm 目前主要有3种 1 850nm MM 多模 成本低但传输距离短 一般只能传输500M 2 1310nm SM 单模 传输过程中损耗大但色散小 一般用于40KM以内的传输 3 1550nm SM 单模 传输过程中损耗小但色散大 一般用于40KM以上的长距离传输 最远可以无中继直接传输120KM 第二 传输速率 指每秒钟传输数据的比特数 bit 单位bps 目前常用的有4种 155Mbps 1 25Gbps 2 5Gbps 10Gbps等 传输速率一般向下兼容 因此155M光模块也称FE 百兆 光模块 1 25G光模块也称GE 千兆 光模块 这是目前光传输设备中应用最多的模块 此外 在光纤存储系统 SAN 中它的传输速率有2Gbps 4Gbps和8Gbps 第三 传输距离 指光信号无需中继放大可以直接传输的距离 单位千米 也称公里 km 光模块一般有以下几种规格 多模2km以内 单模20km 40km 60km80km和120km等等 中心波长 14 光收发一体模块种类繁多 按封装可分为 1 9 SFF SFP SFP XFP GBIC X2 XENPARK 300Pin等 其中 可热插拔封装 SFP SFP XFP GBIC X2 XENPARK 300Pin 不可热插拔封装 带插针 1 9 SFF 1 1 9封装 焊接型光模块 一般速度不高于千兆 多采用SC接口 2 SFF封装 焊接小封装光模块 一般速度不高于千兆 多采用LC接口 SFF SmallFormFactor 小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺 尺寸只有普通双工SC 1 9 型光纤收发模块的一半 在同样空间可以增加一倍的光端口数 可以增加线路端口密度 降低每端口的系统成本 又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT RJ接口 大小与常见的电脑网络铜线接口相同 有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长 3 GBIC封装 热插拔千兆接口光模块 采用SC接口 GBIC是GigaBitrateInterfaceConverter的缩写 是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件 GBIC设计上可以为热插拔使用 GBIC是一种符合国际标准的可互换产品 采用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活 在市场上占有较大的市场份额 4 SFP封装 热插拔小封装模块 目前最高速率可达4G 多采用LC接口 SFP是SmallFormPluggable的缩写 可以简单的理解为GBIC的升级版本 SFP模块体积比GBIC模块减少一半 可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量 SFP模块的其他功能基本和GBIC一致 有些交换机厂商称SFP模块为小型化GBIC MINI GBIC 5 XENPAK封装 应用在万兆以太网 采用SC接口 6 XFP封装 10G光模块 可用在万兆以太网 SONET等多种系统 多采用LC接口 按速率可分为单位Mb s或Gb s 主要涵盖了以下速率 低速率 百兆 155M 622M 千兆 1 25G 2 5G 4 25G 4 9G 6G 8G 10G和40G等 按波长可分为常规波长 CWDM DWDM等几类 按颜色可区分为单模光纤 黄色 和多模光纤 橘红色 8 光模块分类 15 光纤接口连接器类型 接口连接器用于连接可插拔模块及相应的传输媒质 光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件 它的使用使得光通道间的可拆式连接成为可能 既方便了光系统的调测与维护 又使光系统的转接调度更加灵活 按照光纤的类型分 单模光纤连接器 一般为G 652纤 光纤内径9um 外径125um 多模光纤连接器 一种是G 651纤其内径50um 外径125um 另一种是内径62 5um 外径125um 按照光纤连接器的连接头形式分 FC SC ST LC MU MTRJ等等 目前常用的有FC SC ST LC Fiberpon热插拔光模块所采用的光纤连接器有两种 SC连接器和LC连接器 FC接口LC接口SC接口ST接头 16 SC SubscriberConnectorStandardConnector 标准光纤连接器 由日本NTT公司开发的模塑插拔耦合式连接器 其外壳采用模塑工艺 用铸模玻璃纤维塑料制成 呈矩形 插针由精密陶瓷制成 耦合套筒为金属开缝套管结构 紧固方式采用插拔销式 不需要旋转 外观图如图1 1所示 LC连接器 LucentConnectororLocalConnector 朗讯连接器 外观图如图1 2所示 为了保护光纤连接器的清洁 请务必保证在未连接光纤时盖上防尘帽 光纤接口连接器类型 17 光发射器技术参数 光功率 光发射器的光功率值 单位 dBm 由激光器发送光功率决定 光功率对光信号传输距离起着决定性作用 理论上来说 光功率越大 光信号传输距离越远 中继距离长 但实际上 光功率越大 对激光器的寿命会有很大的影响 目前比较常用的激光器类型有 FP和DFP 当然还有其他几种类型 如VCSEL EML等 LED发光二级管也可以作为光源使用 只是一般用于低速率 155M 短距离 2KM 场合 几种常用半导体光发射器件的比较如下表 11 技术参数 18 光接收机的主要技术指标 误码率 光纤通信系统中的误码率较低 主要来源于系统的各种噪声和干扰 灵敏度 在保证达到所要求的误码比特率的条件下 接收机所需要的最小输入光功率 单位dBm 光接收机的灵敏度主要由光接收机的噪声决定 有时也要考虑码间串扰的影响 噪声主要来自于检测器和放大器的噪声 码间串扰 光纤色散和光接收机的有限带宽都会引起脉冲展宽 造成码间串扰 从而降低接收机的灵敏度 灵敏度是光接收机最重要的性能指标 它的概念是和误码率联系在一起的 在数字光纤通信系统中 接收端的光信号经检测 放大均衡后 进行判决 再生 由于噪声的存在 接收信号就有被误判的可能性 接收码元被错误判决的概率 称为误码率 灵敏度是指保证达到给定的误码率的条件下 光接收机需要输入的最低光功率 灵敏度可以用每一光脉冲所需要的最低平衡能量来表示 但更经常的是用最低平均光功率 W或dBm 来表示 灵敏度表示光接收机调整到最低状态时 能够接收微弱光信号的能力 提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号 也即接收灵敏度越高 中继距离越远 动态范围 在长期使用过程中 光接收机的光功率可能会变化 低于这个动态范围的下限 即灵敏度 将产生过大的误码 高于这个动态范围的上限 接收机的过载功率 在判决时亦产生过大的误码 在保证系统的误码率指标的情况下 接收机的最低输出光功率 dBm 和最大输入光功率 dBm 之差 饱和光功率值 光模块接收端最大可以探测到的光功率 一般为 3dBm 当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生 因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象 光眼图 将光发射模块输出的 NRZ码 光信号送入取样示波器 就可以观察到光信号波形的 眼图 光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到 光脉冲波形的上升时间 下降时间 过冲和下冲应加以控制 以免降低接收灵敏度 光脉冲形状特性由眼图模板给出 眼图模板在光通信系统的标准中都已作了具体的规定 13 技术参数 19 光功率 灵敏度 衰减度 传输距离之间的关系 光功率用Pout表示 灵敏度用Pin表示 传输距离用D distance 表示 衰减度用A attenuation 表示 他们之间的关系可以用如下公司作出粗略计算 一般光衰减除了光纤传输距离衰减 还包括出光接头衰减 但是比较小 大概0 5dB 可以忽略 不同波长的光有不同的衰减度 1310nm波长的光衰减度大概为0 35dB KM 1550nm波长的光衰减度大概为0 25dB KM 0 3dB KM 注 增加光发射机的平均光功率可以增大传输距离 但考虑到安全问题与激光器的寿命 光发射机的发射功率 光功率 不宜过大 如一般不超过 5dB 因传输距离的不同 光纤收发器本身的发射功率 接收灵敏度和使用波长也会不一样 如5KM光纤收发器的发射功率一般在 20dB 14dB之间 接收灵敏度为 30dB 使用1310nm波长 而120KM光纤收发器的发射功率多在 5dB 0dB之间 接收灵敏度为 38dB 使用1550波长 光功率单位常用毫瓦 mw 和分贝 dB 表示 其中两者的关系为 1mw 0dB 而小于1mw的分贝为负值 这就是为什么我们见到的光模块的光功率基本都是负值 可以通过如下公式进行换算 通讯用的光信号大多数都小于5mw 衰减的表示方法 注意 这里的Pout和Pin单位为瓦 W 发射光功率和接收灵敏度 发射光功率指光模块发送端光源的输出光功率 接收灵敏度指在一定速率 误码率情况下光模块的最小接收光功率 这两个参数的单位都是dBm 意为分贝毫瓦 功率单位mw的对数形式 计算公式为10lg 1mw折算为0dBm 主要用来界定产品的传输距离 不同波长 传输速率和传输距离的光模块光发射功率和接收灵敏度都会不同 只要能确保传输距离就行 技术参数 20 非对称模块 所谓的非对称模块主要是指发射和接收的速率不一样 比如发射1 25G 接收155M 光模块应用领域 光模块广泛应用于光纤收发器 PDH光端机 协议转换器 视频光端机 以太网光纤交换机等领域 其主要作用就是将通信设备传过来的电信号转换成光信号再通过光纤传输 最后通过光接收器将光信号转换成电信号 光模块在其中起着一个中介过渡的作用 光器件分类 按结构 可分为 TO器件 TOSA ROSA BOSA DIP 或Butterfly 器件 表面贴装 surfacemount 器件 TOSA器件 光发射器件 ROSA器件 光接收器件 BOSA器件 光收发一体器件 单纤与双纤的区别 单纤模块 接收和发送的数据在一根光纤上传输 双纤模块 接收和发送分别在两根光纤上传输 单纤模块可以节省一半的光缆资源 即在一芯光纤上实现数据的收发 在光纤资源紧张的地方十分适用 双纤模块需要占用两根光纤 一根用于发送 TX 一根用于接收 RX 单纤模块普遍的波长分别为1310nm和1550nm 配对使用 即一端为1310nm波长 另一端为1550nm波长 既可以发送 也可以接收 而双纤模块都是统一波长 即发送和接收都是使用同一个波长 注 单纤双向与双纤双向的主要区别在于传输与接收波长是否一致 单线双向要求波长不一致 双纤双向要求波长一致 单纤光接口常采用SC接口 双纤光接口常采用FC接口 技术参数 21 16 BIDI模块BiDi Bidirectional 即 单纤双向 利用WDM技术 发送和接收两个方向使用不同的中心波长 实现一根光纤双向传输光信号 一般光模块有两个端口 TX为发射端口 RX为接收端口 而该光模块只有1个端口 通过光模块中的滤波器进行滤波 同时完成1310nm光信号的发射和1550nm光信号的接收 或者相反 因此该模块必须成对使用 他最大的优势就是节省光纤资源 注 BIDI模块必须成对使用 22 17 CWDM模块 CWDM光模块采用CWDM技术 可以通过外接波分复用器 将不同波长的光信号复合在一起 通过一根光纤进行传输 从而节约光纤资源 同时 接收端需要使用波分解复用器对复光信号进行分解 1270nm到1610nm波长18个信道可供选择 UncooledMQWDFBLD 可以选择的封装1X9 GBIC SFF SFP 单一供电 3 3V或者 5V 工作温度0 C 70 C 商业级 40 85 工业级 符合Telcordia Bellcore GR 468 CORE Class1规范产品 符合IEC60825 1和IEC60825 2要求 符合RoHS标准的产品 23 18 XENPAK和X2光模块 Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的 其内部功能模块与Xenpak基本相同 在电板上的应用也相同 都是使用一个模块即可实现10G以太网光接口的功能 由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽 实现较复杂 无法实现高密度应用 而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右 可以直接放到电路板上 因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用 24 19 光模块功能失效重要原因 光模块功能失效分为发射端失效和接收端失效 分析具体原因 最常出现的问题集中在以下几个方面 1 光口污染和损伤 由于光接口的污染和损伤引起光链路损耗变大 导致光链路不通 产生的原因有 A 光模块光口暴露在环境中 光口有灰尘进入而污染 B 使用的光纤连接器端面已经污染 光模块光口二次污染 C 带尾纤的光接头端面使用不当 端面划伤等 D 使用劣质的光纤连接器 引起ESD损伤的因素有 环境干燥 易产生ESD 不正常的操作 如 非热插拔光模块带电操作 不做静电防护直接用手接触光模块静电敏感的管脚 运输和存放过程中没有防静电包装 设备没有接地或者接地不良 2 ESD损伤 ESD是ElectroStaticDischarge缩写即 静电放电 是一个上升时间可以小于1ns 10亿分之一秒 甚至几百ps 1ps 10000亿分之一秒 的非常快的过程 ESD可以产生几十Kv m甚至更大的强电磁脉冲 静电会吸附灰尘 改变线路间的阻抗 影响产品的功能与寿命 ESD的瞬间电场或电流产生的热 使